普通混凝土合理砂率的选择方法

材料研究与应用　广东建材２０１４年第４期　

普通混凝土合理砂率的选择方法　

危加阳涂正红李景坚黄抒琳　

（广东水利电力职业技术学院）　

【摘　要】砂率的大小影响混凝土的和易性、强度、体积稳定性与经济性。结合混凝土配合比设计实　践，介绍几种混凝土合理砂率的选择方法，并指出各自优缺点，以便较准确地选择合理砂率。　【关键词】混凝土配合比；合理砂率；选择方法　

１引言　

砂率指混凝土中砂的用量占砂、石总用量的百分　

率，是混凝土配合比设计三个基本参数之一。砂、石总用　量为混凝土骨料用量。骨料用量的多少及砂率的大小直　

接影响混凝土的性能。纵观不同性能的普通混凝土，虽　然胶凝材料用量及水胶比有大的差异，但骨料用量占混　

凝土体积量基本保持在７０％￣８０％左右或以上。如此大　的骨料用量，对节约胶凝材料、提高混凝土体积稳定性　

（限制收缩与徐变）和耐磨性等起至关重要的作用。亦　即，混凝土中的骨料用量维持在较高的水平，是有利的，　

也是研究者所追求的。然而，将骨料用量尽可能维持在　

较高的水平，只是选择骨料的技术手段之一。骨料中砂　石用量关系（用砂率表示）决定骨料总体的级配、空隙　

率、总表面积、骨架作用等。合理的砂率，骨料总体级配　好、空隙率小，能赋予混凝土更好的和易性与节约胶凝　

材料浆进而提高混凝土的体积稳定性；合理的砂率，能　赋予骨料与水泥石恰如其分的胶结面，提高混凝土强　

度。因此，砂率对混凝土的性能及经济性十分重要。特殊　施工方法的自密实混凝土、喷射混凝土等砂率选择有其　

特殊性，应按相应的规则进行选择。本文只述及适用于　坍落度为ｌＯ￣６０ｍｍ的低塑性、塑性混凝土的几种砂率　

的选择方法，并指出各自优缺点。　

２合理砂率的选择方法　

２．１试验法　

２．１．１试验法的基本方法　

普通混凝土配合比设计时，由混凝土设计强度与耐　久性要求确定初步水胶比；由混凝土拌合物设计和易性　

根据“恒定用水量法则”按查表法或根据经验确定初步　用水量。试验探求合理砂率时，水胶比采用初步水胶比、　

用水量采用初步用水量，再根据经验选择至少五组以上　

一１０一　的砂率（砂率组距可取０．８％～１．０％），拌制成拌合物，测　

出每组拌合物的和易性。绘制砂率与坍落度的关系曲线　（见图１，曲线的虚线部分表示拌合物粘聚性、保水性　

差）。从图ｌ中定出拌合物粘聚性、保水性好，坍落度最　

大所对应的砂率，即为合理砂率。若图１中合理砂率所　对应的坍落度小于坍落度设计值，则将合理砂率适当减　小（通常减小不大于１个组距）（将图１的合理砂率适当　

左移），以降低砂率获得坍落度的提高：若合理砂率所对　应的坍落度大于设计值，则将合理砂率适当增大（将合　

理砂率适当右移）或减少胶凝材料浆用量以节约胶凝材　料。　

＾　￡　

破　霹　

各理砂车　砂尊　）　图１试验法确定混凝土砂率　

２．１．２试验法的优缺点　

试验是研究混凝土技术的基本方法。采用混凝：Ｅ的　

原材料，利用试验方法获得的合理砂率，涵盖了原材料　性能对合理砂率选择的影响因素，获得的合理砂率可直　

接用于混凝土配合比设计，适用性强，这是试验法最显　著的优点。同时，根据确定合理砂率的试验，可掌握应用　

具体原材料时砂率对混凝土性能（这里主要指和易性）　

的影响规律，在混凝土性能检验与调整时可利用该规律　调整砂率以最终满足混凝土的性能。缺点是：比较麻烦，　

且应注意每次试验时原材料取样的代表性、称量的准确　性、操作的规范性与一致性，否则，试验结果的重复性和　

再现性差。

　广东建材２０１４年第４期　材料研究与应用　

２．２查表法　

２．２．１查表选择砂率　

ＪＧＪ５５—２０１１《普通混凝土配合比设计规程》中，当已　

知混凝土的水胶比与石子的最火公称粒径，可由表ｌ查　

得合理砂率。表１揭示了水胶比、石子最大公称粒径影　响合理砂率选择的规律性，对于实践经验较少的人员，　

该表具有很好的导向作用。表１只给出了查合理砂率的　两项约束条件（水胶比与石子的最大公称粒径），理论　

上，按两项约束条件查得的合理砂率不会因人而异（取　区间值的中间值）。但仪按两项约束条件查得的合理砂　

率配制混凝土，会发现混凝土的性能并非能达到预期的　

技术经济效果。究其原因，两项约束条件只是影响合理　砂率选择的主要因素，其背后还隐藏着丰富的影响因　子。对于骨料而言，约束条件石子的最大公称粒径只是　

影响合理砂率的主要因素之一，砂石骨料的粒形、表面　状态、级配、细粉含量、含泥量都影响合理砂率的选择。　

砂石骨料的粒形接近球形、少棱角、表面致密光滑、针片　

状颗粒含量少、级配良好，合理砂率可选表１中区间值　的下限值或略低于下限值，以获得混凝土的经济性；反　

之，可取上限值或略高于上限值，以获得混凝土的技术　性。水胶比影响砂率的选择，水泥与掺合料的品种、掺合　

料的掺量、胶凝材料的整体细度与级配也影响合理砂率　的选择。采用普通水泥或矿渣水泥、掺入具有减水作用　

的粉煤灰作为掺合料、掺合料的掺量适当，砂率可靠近　区间值的下限值选取。　

表１混凝土的砂率（％）（Ｊ（Ｕ５５—２０１　１）　

２．２．２查表选择砂率的优缺点　

显然，查表法的优点是：直观、明了、简单，可为混凝　

土初步（理论）配合比设计时提供初选砂率，也可为试验　法等其它方法提供砂率的大致选择范围，以减少试验法　等选择砂率的盲目性。查表法的缺点已在上述内容中涵　

盖，不重复。　２．３计算法　

２．３．１砂率计算公式的推导　・　

根据“填充包裹原理”即可计算合理砂率。设满足混　凝土填充包裹要求砂用量为Ｉｌｌ。，石子用量为ｍ　，由混凝　

士　填充包裹原理”可得：　

：ＫＸ　ＸＰ（式１）　ｐ。ｓ　ｐ。ｇ　

／　＼　其中Ｐ为石子的空隙率，Ｐ＝ｆ卜　ｌ×１００％　＼　ｐ。ｇ／　

由（１）得：ＩＩ１￣：——　一　（式２）　ｍｓ　ＫＸＰ￣ｐ。　将（２）两边同时加１得：　

：　（式３）　ｍｓ　ＫＸ　Ｐ×ｐ。　

即合理砂率Ｂ　：—　×１００％：　！　！！　。ｍｓ＋ｍｇ　ｐ　＋Ｋ×ＰＸ　ｐ～　×１００％　（式４）　

ｐ～——砂的堆积密度；　

ｐ　——石子的表观密度（视密度）；　

ｐ　——石子的堆积密度；　

ｋ——砂的拨开系数，一般取Ｋ＝Ｉ．１～１．４。　

２．３．２计算法的优缺点　

计算法的优点是：按“砂石填充包裹原理”计算合理　砂率理论较严谨；计算法间接地考虑了砂石的整体级　

配，比查表法显得优越；计算法所涉及的砂石性能参数　也不多，简便易行；从计算法的原理与合理砂率推导过　

程来看，合理砂率与混凝土的水胶比、石子最大公称粒　径等无关，也未涉及到砂石的粒形、级配等性能，计算法　

适用性广。但用计算得到的砂率配制混凝土也非十全十　美，说明计算法也有自身的缺点，表现在：“砂石填充包　

裹原理”仅考虑了混凝土各组成材料的填充包裹要求，　显然这是必需的，但未考虑为获得混凝土设计要求的技　

术经济性，砂率与水胶比、砂率与石子最大公称粒径、砂　率与砂石级配、砂率与砂石细粉（通常指粒径小于　

１６０　ｕ　ｍ）含量等对混凝土性能影响的联动性，这是计算　法的最大缺点；拨开系数Ｋ的取值也是人为的，经验性　

强，其取值大小直接决定计算所得砂率是否合理；同一　砂石，即使在完全相同的试验条件下，由于单个砂石粒　

形的多样性及粒径分布非均匀性等原因，不同试验中砂　

石的嵌固、填充效果不一样，使得按ＪＧＪ５２－２ｏｏ６《普通　

混凝土用砂、石质量及检验方法标准》测得的砂石堆积　材料研究与应用　广东建材２０１４年第４期　

密度测定值有偏差，进而使得计算得到的合理砂率有偏　颇。　

２．４砂石整体级配法　

２．４．１砂石整体级配法选择合理砂率的基本思路　

在技术规程或标准中，没有“砂石整体级配法”这个　

术语，是笔者姑且的称法。～‘些技术人员往往仅强调砂、　石各自的级配，而忽视了砂、石混合料的整体级配。实际　

上，考虑到混凝土的经济性和体积稳定性，需要用少量　胶凝材料浆把尽可能多的粗、细骨料颗粒空隙填充并将　

它们粘结在一起，这意味着骨料应具有从砂到石子的连　续分布的颗粒群，以减少混合后的空隙。亦即，混凝土除　

需考虑粗、细骨料独自的级配外，还应考虑粗、细骨料整　体的级配。　

砂石整体级配法计算合理砂率的基本思想是：砂石　混合料堆积密度最人时砂石混合料的整体级配最好。具　

体做法是：①根据混凝士设计的和易性、强度等，结合砂　石的性能检测指标，初步经验选取５组以上的砂率值；　

②将每组砂率换算成砂石比；③按砂石比将砂石混合均　

匀，测出砂石混合料的堆积密度；④绘制砂率（砂石ＥＬ）　与砂石混合料堆积密度关系曲线（图２）；⑤从关系曲线　

上找出堆积密度最大所对应的砂率（砂石ｋＬ），即为合理　砂率。　

§理　墀　砂　（　）囊　ｍ　图２砂石整体级配法选择合理砂率图　

砂石混合不均匀会导致砂石整体级配失真，因此，　

砂石整体级配法的关键是将砂石混合均匀。试验发现，　若将砂石混合料直接在钢板上混合，会出现砂沉底现象　

导致混合不均匀，用铁铲装料时铁铲周围会出现流砂现　象也会导致混合不均匀。同时还发现，砂石混合料越少，　

砂石分离沉底现象越严重。这些现象致使测得的砂石堆　

积密度重现性差。为使砂石混合尽量均匀，以用砂石混　合料的堆积密度反映砂石的整体级配，我们采用如下的　

混合装料方法：①采用３０Ｌ的容量筒（内径３６０ｎ￣、净高　

Ｈ＝２９４ｍｍ），称空筒的重量，记为Ｇ　并将容量筒固定在混　

一１２　凝：　振动台Ｌ；②将砂石料分三层装入称容量筒。装第　

一层时，先称取小于ＩＯＬ（约７Ｌ）石予的重量，再按砂石　

比称取砂，将砂石交替倒入容量筒，并用镘刀将砂石稍　稍翻拌，开动振动台，振３０Ｓ；再如法装第二层与第三层　

（第二、三层只翻拌本层混合料）；③第三层振毕后，仔细　

整平表面，量取砂石表面距筒顶的距离ｈ；④称筒与混　合料的重量，计为Ｇ　；⑤按式（５）计算砂石混合料的堆积　

密度Ｉｏ混　

＇Ｇ１－　ＧＯ　（　

采用以上砂石混合料装料方法，减弱了混合不均匀　导致砂石整体级配失真的影响，且混合料的堆积密度重　现性较好。　

从图２看出，砂率小于合理砂率时，随砂率增人，砂　

石混合料堆积密度增大，当砂率增大至合理砂率值时，　

堆积密度达到最火值；砂率人于合理砂率ｌｆ］．增大时，堆　积密度变化微小。亦即砂率有“饱和点”现象，合理砂率　

即为“饱和点”。可以这样理解，合理砂率时，砂刚好填满　石子的空隙，使石子空隙达到“饱和状态”。理论上，按合　

理砂率将砂石混合，砂石混合料整体级配最优，填充其　所需的胶凝材料浆最少，骨架作用也越强。然而，混凝　｝：　

的形成既需各组成材料的相互填充，还需相互包裹。砂　浆除填满石子的空隙外，还需在石子表面形成足够的砂　

浆层，以赋予混凝士拌合物的流动性与胶结性。因此，按　合理砂率拌制混凝士，拌合物流动性小、干涩、离析，现　

场试拌的试验结果也证实了这种现象。为获得较好的和　

易性，通常在合理砂率的基础上结合砂石性能情况再增　加约５％～８％。比如，合理砂率为２９．３％，可取２９．３％＋６％　

２．４．２砂石整体级配法选择砂率的优缺点　

砂石整体级配法的最大优点，就是考虑了砂石混合　料的整体级配，它克服了仪单独考虑砂石各自级配的某　

些缺点，将砂石级配衔接起来，同时为砂石级配与胶凝　材料级配的衔接起桥梁作用。关于它的其它优点及缺　点，类似于计算法。　

３合理砂率选择方法的适宜条件　

相比较而言，查表法适合于砂石级配良好（特别是　石子）时选择合理砂率；其它方法不管砂石级配是否良